液体粘滞阻尼器在梁桥抗震中的应用

卢旭阳，刘 力

(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411100)

结构消能减震体系是一种新的抗震防灾技术，其主要思想是在结构的某些部位设置消能装置(如耗能阻尼器)，当结构在强烈地震作用下，结构的能量主要通过这些耗能阻尼器来消耗，这种消能减震结构的主要优点是它并不依赖主体结构中的塑性铰来耗散地震输入能量，可以保护主体结构免受损伤.相对于以往的抗震设计，消能减震体系既合理又经济，黏滞流体阻尼器是耗能减震装置的一种，它的特点是不会给结构增加刚度，这样就不会增加地震作用，相对于其他耗能减震装置来说，滞流体阻尼器的耗能减震更具有优越性［1］.

近20年来，用于减振的结构保护系统有了很大的发展.在国际上迅速发展并被广泛接受的结构保护系统包括液体黏滞阻尼器、金属摩擦阻尼器和铅芯橡胶抗震［2］.在桥梁上设置液体黏滞阻尼器，衰减大桥纵横两个方向运动已经成为设计工作者的一个重要选择，液体黏滞阻尼器在工程应用中得到很快的发展［3］.本文通过建立有限元模型并设置液体粘滞阻尼器，分析安装粘滞阻尼器前后桥梁的抗震性能，研究粘滞阻尼器对悬臂梁桥的影响.

1 工程背景

某公路桥为三跨预应力混凝土悬臂梁，跨度为32+50+32=114m，其中中跨为挂孔结构，挂孔梁为普通钢筋混凝土梁，梁长16m.两T构的主梁为预应力混凝土箱梁，桥墩两侧的悬臂长度均为18m，梁高是按照1.6次抛物线变化，边跨是14m等高段，墩梁固结，全桥总体模型见图2.桥墩为钢筋混凝土双柱桥墩，截面为1.2m*1.2m矩形，墩高度16m.主梁截面如图1所示.主梁材料采用JTG04(RC)规范的C50混凝土，桥墩采用JTG04(RC)规范的C40混凝土.预应力钢材采用JTG04(S)规范，在数据库中选在Strand1860钢绞线.本桥位于抗震设防烈度为7度的二级公路上，水平基本地震加速度值为0.15g.按照《中国地震动反应谱特征周期区划图》查得场地特征周期为0.45秒.

图1 箱梁横断面图(单位:cm)

图2 全桥总体模型图

2 地震分析理论和建模要求

结构抗震设计理论的发展大体上可以划分成为循序渐进的四部分:静力理论、反应谱理论、动力理论、基于性能的抗震设计理论［4］.

动力理论是将地震加速度时程直接作为输入，对结构进行地震时程反应分析.地震作用输入可以直接选用强震仪记录的地震加速度时程，有三个分量，其中两个水平分量和一个竖向分量［5］.动态时程分析方法可以十分精确地考虑到结构、桩基相互作用，地震波相位差及不同地震波多分量多点输入等因素，还可以包括材料和几何非线性以及各种减振、隔震装置的作用效果，从而使得桥梁抗震计算从单一强度保证转向为保证强度、变形(延性)的双重保证.

地震分析所用的模型必须能够模拟对结构地震反应有所贡献的所有特征的振型，这是因为对于所有结构都必须考虑实际与随机的扭转效应，所以计算模型都必须是三维的.三维计算模型可以只针对具有较大刚度和延性的结构部分，且略去非结构的部分，但是非结构部分的质量分布却是不能略去的［6］.

结构质量必须进行十分精确的估算，结构模型中所有的质量分布都是依赖于表示它们的桥梁构件单元数量.在进行动力分析之前，先运行静力荷载的计算模型，用来检查各种近似的模拟方法［7］.

3 有限元模型

动力模型分析和静力模型分析的不同之处在于不需要精细模拟，重点是一定要准确、真实地反映出结构的刚度、质量以及结构的阻尼和边界条件.本文的建模过程由大型有限元软件MidasCivil完成，采用空间梁单元模拟主梁、桥墩，但是并没有考虑桩—土结构之间的相互作用，仅将桥墩用固结边界条件模拟.

首先定义材料和截面，T构上的主梁定义为变截面.墩梁固结，全桥的边界条件见图2所示，挂梁和T构主梁直接的连接方式通过释放My的自由度模拟.建立桥墩和T构主梁的连接时，需要在墩顶上建立一个辅助节点，辅助节点和主梁采用刚性连接，和墩顶采用弹性连接中的刚性连接.

定义自重静力荷载工况，施加自重荷载和二期恒载(铺装)，体内的预应力对结构的动力特性影响忽略不计.将所建结构模型的自重转换为质量，并且把二期恒载也转换为质量.

进行特征值分析，采用Ritz向量法对结构进行振型分析，运行分析，查看结果表格如图3所示，振型参与质量达到了规范所规定的90%，不需要再增加初始向量的数量.

图3 振型参与质量图

在桥梁动力分析时，一般是取成桥阶段进行分析，自重恒荷载已经对结构变形、内力产生了影响.所以，在进行动力分析的时候，需要考虑自重恒荷载的初始效应.本次建模采用的是定义一个时变静力荷载来实现初始荷载的施加，时程分析工况设置中，加载顺序一栏:在荷载工况中选择接续前次.分析类型为非线性;分析方法为振型叠加法;时程状态为瞬态;输入所有振型的阻尼比0.05.

地震波的选择，考虑地震的随机性，选择的地震加速度时程曲线不应该少于三组，本次选择的地震波有:1940，EI Centro Site，270 Deg，加速度峰值 0.35g;1952，Taft Lincoln School，69 Deg，加速度峰值 0.16;1971，San Fernando，159 Deg，加速度峰值0.27g.这里仅对于第一组实录波进行描述，使用midas中地震波数据生成器分别生成绝对加速度反应谱和伪加速度反应谱，并且将加速度反应谱的周期取为0.1～0.5秒之间的值，平均为Sa，将速度反应谱取周期为0.5～2 秒之间的值，平均为 Sv.求得 Sa 为 7.3m/s2，Sv 为 0.6m/s.则:

实录波特征周期0.51，同该桥址场特征周期0.45比较接近，故实录波符合要求.这里仅考虑E1地震下的作用，根据下式计算设计加速度峰值:

上面选择的程序自带的实录地震波“1940，EI Centro Site，270 Deg”原始计算度峰值为0.35，PGA调整系数为:

执行时程分析数据;时程荷载函数;点击地震波;选择1940，EI Centro Site，270 Deg;放大系数改为 0.18;地震波就设置好了.定义地面加速度，这里仅仅考虑顺桥向的地震作用.

最后是设置液体黏滞阻尼器，选择内力型，非线性参数如图4所示，设置的位置位于桥台和端梁的伸缩缝处，通过阻尼器耗散地震能量，使得桥梁地震力响应效果减小.

图4 阻尼器参数设置图

图4中，Cd——粘滞性阻尼器的阻尼系数;

kb——粘滞阻尼器的的连接件刚度;

s——速度指数，描述了阻尼单元的非线性特性;

d——整个单元在两个节点间的变形;

dd——粘滞阻尼器的变形;

db——连接件的变形;

v0——单元变形时对应的速度;

特征值分析选项勾选“考虑一般连接的荷载向量”，设定好以上参数就可以运行分析了.

4 计算结果与分析

为了验证粘滞阻尼器在减振抗震方面的优势，对无阻尼器和加阻尼器两种结构的计算结果从自振周期、顺桥向节点位移、墩顶剪力、阻尼器滞回曲线这些方面进行对比分析.

4.1 查看自振周期

从表1可以看出，安装了粘滞阻尼器结构与未安装粘滞阻尼器结构的自振周期相差不大，仅仅是增加了一点点，具体原因是粘滞阻尼器的设置给原结构增加了一定的刚度，这就使得结构的整体刚度增大了一些.

表1 自振周期对比表

图5 顺桥向节点位移时程曲线图

4.2 顺桥向节点位移

由图5可知，在顺桥向方向设置2个粘滞阻尼器后节点1的X向位移明显减小，位移最大值减小了65%，虽然改变了最大值出现的时间点，但从整体上看，粘滞阻尼器的减振效果还是很理想的.

4.3 桥墩墩底弯矩

图6 桥墩墩底弯矩时程曲线图

如图6所示，在设置阻尼器之后，桥墩的弯矩较未设置阻尼器时减小了60%左右，桥墩的内力情况明显改善，使得地震力响应得到了很好的控制，说明粘滞阻尼器对墩弯矩的减小是可行的.

4.4 墩顶剪力

可以从图7看出安装粘滞阻尼器之后，桥墩顶部的剪力明显变小，桥梁的地震灾害主要产生于下部结构，即使上部结构破坏，也往往是由于下部结构的破坏或大变形引起的，所以粘滞阻尼器使桥墩剪力减小，耗散了地震传给结构的能量，分担了桥墩的震动.

图7 墩顶剪力时程曲线图

5 结论

本文以某公路桥三跨预应力混凝土悬臂梁为工程背景，采用Maxwell模型模拟粘滞性阻尼器，通过非线性时程分析对全桥进行地震响应分析，对设置粘滞性阻尼器前后桥梁抗震性能的变化进行对比，主要得出了以下结论:

(1)对悬臂梁桥进行减震隔震设计时可以采用粘滞阻尼器，在桥台和主梁之间安装粘滞阻尼器是一个很好的解决方法.

(2)设置阻尼器后，全桥的顺桥向的地震响应得到了很好的控制，可以对梁端伸缩缝起到很好的保护作用，确保了地震作用下结构的安全性能.

(3)通过设置阻尼器，可以控制桥墩和主梁的相对位移，避免结构下部结构的大变形引起上部结构的破坏.

［1］陈永祁.桥梁工程液体黏滞阻尼器设计与施工［M］.北京:中国铁道出版社，2012.

［2］滕军.结构振动控制的理论、技术和方法［M］.北京:科学出版社，2009.

［3］周云.粘滞阻尼减震结构设计［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2006.

［4］范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［5］苏晓芸.基于MIDAS设置阻尼器的刚框架地震时程分析［J］.河北工程大学学报(自然科学版)，2013，(2):28－32.

［6］许文俊，王会利，苗峰.粘滞阻尼器在连续梁桥抗震设计中的应用［J］.山东交通学院学报，2011，(3):48－52.

［7］宋子威，蔡小培.粘滞性阻尼器在高速铁路长联大跨连续梁中的应用［J］.清华大学学报(自然科学版)，2012，(8):1102－1105.